活動支座摩阻力對橋上無縫線路力學(xué)特性的影響

焦 雷，曲 村，楊志遠(yuǎn)

(1. 北京城建設(shè)計(jì)發(fā)展集團(tuán)股份有限公司，北京 100037；2. 北京市軌道結(jié)構(gòu)工程技術(shù)研究中心，北京 100037；3. 城市軌道交通綠色與安全建造技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)室，北京 100037； 4. 廈門軌道交通集團(tuán)有限公司，廈門 361000)

隨著我國鐵路建設(shè)事業(yè)的發(fā)展，以橋代路、節(jié)約耕地成為我國鐵路重要的設(shè)計(jì)理念之一，鐵路建設(shè)中橋梁的比例普遍較高[1-3]。

我國鐵路橋梁的基本型式為簡支梁橋和連續(xù)梁橋。簡支梁橋兩端的橋墩上一般分別設(shè)置一個(gè)固定支座和一個(gè)活動支座；連續(xù)梁橋一般只在中間的一個(gè)橋墩上設(shè)置固定支座，其余的中間橋墩和邊墩上都設(shè)置活動支座。由于活動支座處總是存在一定的摩阻力，在溫度荷載和列車荷載作用下，會給橋梁、軌道及無縫線路的力學(xué)特性帶來一些影響[4-11]，可能造成受力與變形增大。

一般說來，橋梁的上部結(jié)構(gòu)為一大質(zhì)量的整體。理論分析和現(xiàn)場實(shí)測表明，上部的橋梁結(jié)構(gòu)在溫度荷載、列車豎向荷載和制動荷載的共同作用下會產(chǎn)生平面運(yùn)動。因此，活動支座處的摩阻力將會通過主梁的傳遞，對固定支座所承受的作用力產(chǎn)生影響。

目前，我國已陸續(xù)制定了《新建鐵路橋上無縫線路設(shè)計(jì)暫行規(guī)定》(鐵建設(shè)函〔2003〕205號)、《京滬高速鐵路設(shè)計(jì)暫行規(guī)定》(鐵建設(shè)函〔2004〕157號)、《新建時(shí)速200公里客貨共線鐵路設(shè)計(jì)暫行規(guī)定》(鐵建設(shè)函〔2005〕285號)、《鐵路軌道設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB 10082—2017)、《新建時(shí)速300～350公里客運(yùn)專線鐵路設(shè)計(jì)暫行規(guī)定》(鐵建設(shè)〔2007〕47號)、《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范(試行)》(TB 10621—2009)、《鐵路無縫線路設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB 10015—2012)、《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB 10621—2014)等，這些規(guī)范在不同的時(shí)期規(guī)定了橋上無縫線路縱向力計(jì)算及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，反映了我國橋上無縫線路的發(fā)展歷程。

但由于現(xiàn)有的鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范中對活動支座處的摩阻力并沒有特殊的規(guī)定，因此在進(jìn)行常規(guī)的理論仿真分析時(shí)一般不考慮活動支座處摩阻力的影響，僅考慮固定支座所在橋墩沿橋縱向與梁體固結(jié)，然而，這種算法上的簡化可能會使溫度和車輛荷載作用下橋上無縫線路計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生比較大的偏差。為更加真實(shí)地反映實(shí)際情況，參考國外規(guī)范的要求[12-13]，在分析溫度荷載和車輛荷載對橋上無縫線路的作用時(shí)，應(yīng)該考慮活動支座對橋梁墩臺的摩擦作用。為此，本文對活動支座摩阻力對梁軌相互作用的影響進(jìn)行了研究，分析了考慮摩阻力后相關(guān)參數(shù)對梁軌相互作用的影響。

本文通過建立考慮活動支座摩阻力和不考慮活動支座摩阻力的兩種鋪設(shè)CRTSⅠ型板式無砟軌道的橋上無縫線路精細(xì)化空間耦合仿真模型[14-16]，研究活動支座處摩阻力對梁軌相互作用的影響，并對今后分析橋上無砟軌道無縫線路結(jié)構(gòu)時(shí)是否考慮活動支座處的摩阻力提供建議和參考依據(jù)。

1 模型建立和參數(shù)選取

本文以鋪設(shè)CRTS Ⅰ 型板式無砟軌道結(jié)構(gòu)長大橋梁((60+100+60)m連續(xù)梁)為例進(jìn)行計(jì)算分析，兩側(cè)各考慮5跨32 m簡支梁作為輔助跨，并且建立了相似參數(shù)的雙塊式和CRTS Ⅱ 型板式無砟軌道結(jié)構(gòu)長大橋梁仿真模型[17-18]，計(jì)算并進(jìn)行了對比驗(yàn)證。

1.1 模型主要部件組成

在溫度荷載和列車荷載作用下，鋪設(shè)CRTSⅠ型板式無砟軌道的橋上無縫線路結(jié)構(gòu)主要由鋼軌、縱向傳力機(jī)構(gòu)(包括扣件)、CRTSⅠ型板式無砟軌道結(jié)構(gòu)(包括軌道板、凸形擋臺、樹脂填充層、砂漿層、底座板等)、橋梁結(jié)構(gòu)(包括梁體、橋墩)等部件組成。本文對各部件利用有限元模型分別進(jìn)行模擬，所建立的鋪設(shè)CRTSⅠ型板式無砟軌道的橋上無縫線路有限元模型如圖1所示。鋪設(shè)雙塊式和CRTSⅡ型板式無砟軌道的橋上無縫線路有限元模型如圖2所示。橋梁模型示意如圖3所示。

圖1 鋪設(shè)CRTSⅠ型板式無砟軌道的橋上無縫線路有限元模型

圖2 鋪設(shè)雙塊式和CRTSⅡ型板式無砟軌道的橋上無縫線路有限元模型

圖3 橋梁模型示意

1.2 單元模擬和參數(shù)選取

(1) 鋼軌主要考慮其承受溫度變化和車輛豎向及制動荷載的作用，采用梁單元進(jìn)行模擬。

(2) 扣件主要考慮其限制鋼軌位移與變形的作用，采用彈簧單元進(jìn)行模擬。

(3) 軌道板、凸形擋臺、樹脂填充層、CA(水泥瀝青)砂漿層和底座板等主要考慮其外形尺寸和材料屬性，均采用實(shí)體單元進(jìn)行模擬，其中，軌道板的混凝土強(qiáng)度等級為C60；凸形擋臺采用C40級混凝土，半徑為260 mm；樹脂填充層厚度為40 mm，彈性系數(shù)取10±2 kN/mm；CA砂漿層厚度為50 mm；底座板采用C40級混凝土。

(4) 橋梁主要考慮其外形尺寸和材料屬性，采用實(shí)體單元進(jìn)行模擬，橋墩采用彈簧單元進(jìn)行模擬。

1.3 活動支座處的摩阻力系數(shù)

考慮活動支座處的摩阻力系數(shù)分別取為0、0.005、0.01、0.02和0.04，基本上可以包括所有類型支座的摩阻力系數(shù)。

2 活動支座摩阻力影響分析

2.1 溫度荷載作用影響分析

計(jì)算工況：以鋼軌降溫 50 ℃ 為例，軌道板、底座板參照最新規(guī)范考慮降溫 30 ℃，橋梁也考慮適宜的溫度荷載[19]。在考慮活動支座摩阻力系數(shù)分別為0、0.005、0.01、0.02、0.04的情況下，梁軌相對位移如圖4所示，鋼軌伸縮附加力如圖5所示；溫度荷載作用下鋪設(shè)CRTSⅠ型板式無砟軌道的橋上無縫線路結(jié)構(gòu)的受力與變形計(jì)算結(jié)果如表1所示。

圖4 梁軌相對位移1

圖5 鋼軌伸縮附加力

表1 溫度荷載作用下鋪設(shè)CRTSⅠ型板式無砟軌道的橋上無縫線路結(jié)構(gòu)的受力與變形計(jì)算結(jié)果

分析圖4、圖5和表1可知，在溫度荷載作用下，隨著活動支座摩阻力系數(shù)由0至0.04逐漸增大，梁軌相對位移和橋梁伸縮位移有所減小，說明活動支座摩阻力在一定程度上限制了梁軌的變形；鋼軌伸縮力略有減小；無砟軌道各部件(包括軌道板、凸形擋臺和底座板)受到的應(yīng)力基本不變；長大連續(xù)梁固定支座所在橋墩的縱向力明顯增大，兩側(cè)作為輔助跨的簡支梁固定支座所在橋墩的縱向力明顯減小。對比模型計(jì)算得到的規(guī)律與此相同。說明在溫度荷載作用下，活動支座處的摩阻力對軌道結(jié)構(gòu)的受力影響較小，而對所在橋梁墩臺的縱向力影響較大。

2.2 列車豎向荷載作用影響分析

計(jì)算工況：列車豎向荷載采用0.8UIC活載即ZK標(biāo)準(zhǔn)荷載，不考慮列車速度系數(shù)的沖擊作用。在考慮活動支座摩阻力系數(shù)分別為0、0.005、0.01、0.02、0.04的情況下，梁軌相對位移如圖6所示，鋼軌撓曲附加力如圖7所示；列車豎向荷載作用下鋪設(shè)CRTSⅠ型板式無砟軌道的橋上無縫線路結(jié)構(gòu)的受力與變形計(jì)算結(jié)果如表2所示。

圖6 梁軌相對位移2

圖7 鋼軌撓曲附加力

表2 在列車豎向荷載作用下鋪設(shè)CRTSⅠ型板式無砟軌道的橋上無縫線路結(jié)構(gòu)的受力與變形計(jì)算結(jié)果

分析圖6、圖7和表2可知，在列車豎向荷載作用下，隨著活動支座摩阻力系數(shù)由0至0.04逐漸增大，鋼軌垂向位移略有減小，但幅度不大；梁軌相對位移變化不大；橋梁跨中撓度也略有減??；鋼軌撓曲力略有增大；無砟軌道部分部件(包括軌道板和底座板)受到的應(yīng)力略有增大，而凸形擋臺受到的應(yīng)力略有減小；橋梁支座受力逐漸增大。對比模型計(jì)算得到的規(guī)律與此相同。說明活動支座摩阻力對上部軌道結(jié)構(gòu)的受力與變形影響較小，對橋梁墩臺的縱向力影響較大。

2.3 列車制動力作用影響分析

計(jì)算工況：列車豎向荷載不變，輪軌黏著系數(shù)取為0.164[20]。在考慮活動支座摩阻力系數(shù)分別為0、0.005、0.01、0.02、0.04的情況下，梁軌相對位移如圖8所示，鋼軌制動附加力如圖9所示；列車制動力作用下鋪設(shè)CRTSⅠ型板式無砟軌道的橋上無縫線路結(jié)構(gòu)的受力與變形計(jì)算結(jié)果如表3所示。

圖8 梁軌相對位移3

表3 列車制動力作用下鋪設(shè)CRTSⅠ型板式無砟軌道的橋上無縫線路結(jié)構(gòu)的受力與變形計(jì)算結(jié)果

分析圖8、圖9和表3可知，在列車制動力作用下，隨著活動支座摩阻力系數(shù)由0至0.04逐漸增大，梁軌相對位移有所減??；橋梁縱向位移逐漸減??；鋼軌受到的制動力、無砟軌道各部件(包括軌道板、凸形擋臺和底座板)受到的應(yīng)力都有所減小；橋梁支座縱向力明顯減小。對比模型計(jì)算得到的規(guī)律與此相同。說明活動支座處的摩阻力對軌道結(jié)構(gòu)和橋梁結(jié)構(gòu)的受力與變形都有一定的約束作用，而在鋪設(shè)CRTSⅠ型板式無砟軌道的橋上無縫線路的設(shè)計(jì)和仿真計(jì)算中，不考慮活動支座處存在的摩阻力也是偏于安全的。

圖9 鋼軌制動附加力

3 結(jié)論

本文通過建立鋪設(shè)CRTSⅠ型板式無砟軌道的精細(xì)化空間耦合仿真模型及對比模型，分析了活動支座處的摩阻力對軌道結(jié)構(gòu)和橋梁結(jié)構(gòu)的受力與變形的影響，得到以下結(jié)論：

(1) 在溫度荷載作用下，活動支座處的摩阻力在一定程度上限制了軌道與橋梁結(jié)構(gòu)的變形，對上部軌道結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)影響不大，但對橋梁墩臺的縱向力有一定影響，長大連續(xù)梁固定支座所在橋墩的縱向力明顯受其影響，設(shè)計(jì)可能會產(chǎn)生較大的偏差。因此，在今后的橋梁設(shè)計(jì)中，建議在連續(xù)梁的設(shè)計(jì)中選用抗縱向變形能力較大的固定支座。

(2) 在列車豎向荷載作用下，活動支座處的摩阻力對上部軌道結(jié)構(gòu)的受力與變形影響較小，只是影響了橋梁固定支座所在橋墩的縱向受力，設(shè)計(jì)也可能會產(chǎn)生較大的偏差。因此，在以后的橋梁設(shè)計(jì)中，也建議選用抗縱向變形能力較大的固定支座。

(3) 在列車制動力作用下，活動支座處的摩阻力對軌道結(jié)構(gòu)和橋梁結(jié)構(gòu)的受力與變形都有一定的約束作用，因此在鋪設(shè)CRTSⅠ型板式無砟軌道的橋上無縫線路的設(shè)計(jì)和仿真計(jì)算中，不考慮活動支座處的摩阻力是偏于安全的。

(4) 簡支梁橋兩端的橋墩上一般都分別設(shè)置一個(gè)固定支座和一個(gè)活動支座，從整體上講，是否考慮活動支座摩阻力，橋墩提供的總剛度都不變，所以影響不大；連續(xù)梁橋一般只在中間的一個(gè)橋墩上設(shè)置固定支座，其余的中間橋墩和邊墩上都設(shè)置活動支座，橋墩剛度未被計(jì)入，所以在后續(xù)研究中，還應(yīng)重點(diǎn)考慮長大連續(xù)梁橋的活動支座摩阻力對梁軌間縱向力傳遞的影響。